JP2011185560A - 冷水循環システム - Google Patents

Abstract

【課題】設備投資コストを低減できる冷水循環システムを提供する。
【解決手段】冷水循環システムは、負荷設備８１Ａと、冷凍機３と、冷水一次ポンプ１と、送り冷水を負荷設備８１Ａに供給する冷水二次ポンプ５と、冷水二次ポンプ５と負荷設備８１Ａとの間に負荷設備８１Ａに送水される送り冷水の圧力を制御する圧力制御部を介して設けられ、負荷設備８１Ａに送水される送り冷水を圧力制御部を通して冷凍機３に向けて還すことができる還り管７と、圧力制御部を制御することにより、冷凍機３から負荷設備８１Ａへの送り冷水の圧力を調整するポンプ運転制御器１５１とを備え、ポンプ運転制御器１５１は、送り冷水の温度と戻り冷水の温度との検出温度差と、負荷設備８１Ａの定格設計温度差との差の絶対値が減少する方向へ、検出温度差に基づいて圧力制御部を制御することにより負荷設備８１Ａへの送り冷水の送水量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷水循環システムに関する。特に、本発明は、動力インバーターを用いないで省エネルギーを行なう冷水循環システムに関する。

従来、冷水循環システムとして、送り冷水と戻り冷水とを貯える冷水蓄熱槽と、戻り冷水を冷水蓄熱槽の高温部から冷凍機を介して冷水蓄熱槽の低温部へ送る冷水一次ポンプと、動力インバーターを備え、かつ送り冷水を冷水蓄熱槽の低温部から負荷設備へ送る冷水二次ポンプと、冷水二次ポンプの動作を制御するポンプ運転制御器とを備え、ポンプ運転制御器は、送り冷水の温度と戻り冷水の温度との検出温度差を負荷設備の定格設計温度差に近づけるように、動力インバーターの運転周波数を制御する冷水循環システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の冷水循環システムは、上記構成を備えることにより、動力インバーターを備えた冷水二次ポンプから負荷設備への送り冷水の送水量を最適な量に制御できるので、省エネルギーの観点から優れた効果を発揮することができる。

特開２００７−１５５２３２号公報

しかし、特許文献１に記載の冷水循環システムは、動力インバーターを用いているので、設備コストの低減には限界がある。とりわけ、既存設備での動力インバーター盤設備の追加改修を伴う場合には工事費も含め設備コストがかさむ、あるいはスペースの問題で動力インバーター盤を設置できない場合もあり、システムの構築方法には改善の余地がある。

したがって、本発明の目的は、冷水二次ポンプに動力インバーターを用いた場合と概ね同等の省エネルギー性能を有するも、設備コストを低減できる冷水循環システムを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、制御弁により必要水量が連続的に調整される負荷設備と、負荷設備からの戻り冷水を冷却し、負荷設備への送り冷水にする冷凍機と、戻り冷水を冷凍機に供給する冷水一次ポンプと、送り冷水を負荷設備に供給する冷水二次ポンプと、冷水二次ポンプと負荷設備との間に負荷設備に送水される送り冷水の圧力を制御する圧力制御部を介して設けられ、負荷設備に送水される送り冷水を圧力制御部を通して冷水二次ポンプの吸込み部分に向けて還すことができる還り管と、圧力制御部を制御することにより、冷凍機から負荷設備への送り冷水の圧力を調整するポンプ運転制御器とを備え、ポンプ運転制御器は、送り冷水の温度と戻り冷水の温度との検出温度差と、負荷設備の定格設計温度差との差の絶対値が減少する方向へ、検出温度差に基づいて圧力制御部を制御することにより負荷設備への送り冷水の送水量を調整する冷水循環システムが提供される。（なお、送水量を調整するということは送水圧力も変化させることを意味する。）

また、上記冷水循環システムにおいて、圧力制御部は、負荷設備への送り冷水の送水量を制御する戻し弁であって、ポンプ運転制御器は、戻し弁の開度を制御することもできる。

また、上記冷水循環システムにおいて、ポンプ運転制御器は、検出温度差と定格設計温度差との差の絶対値が予め設定された許容値を外れた時間が、予め設定した一定の時間を連続して、又は、予め設定した時間内に累積して過ぎた場合に、負荷設備への送り冷水の圧力を調整することもできる。

また、上記冷水循環システムにおいて、負荷設備の前段に、負荷設備に供給される送り冷水の圧力を変化させる圧力可変部を更に備えることもできる。

また、上記冷水循環システムにおいて、圧力可変部は、冷水二次ポンプより小型の加圧ポンプであってもよい。

また、上記冷水循環システムにおいて、複数の負荷設備を更に備え、送り冷水は、複数の負荷設備のそれぞれに複数の送り管を通じて送水され、複数の負荷設備のそれぞれは、複数の戻り管を通じて戻り冷水を冷凍機に送水し、送り冷水温度は、複数の送り管の第１の集合部分において予め設定される温度であり、戻り冷水温度は、複数の戻り管の第２の集合部分において計測されてもよい。

本発明に係る冷水循環システムによれば、冷水二次ポンプに動力インバーターを用いた場合と概ね同様の省エネルギー性能を有するも、設備コストを低減できる冷水循環システムを提供できる。

第１の実施の形態に係る冷水循環システムの構成の概要図である。 第１の実施の形態に係る冷水循環システムの動作のフローである。 第１の実施の形態の変形例に係る冷水循環システムの構成の概要図である。 第２の実施の形態に係る冷水循環システムの構成の概要図である。

［第１の実施の形態］
（冷水循環システムの構成の概要）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る冷水循環システムの構成の概要を示す。

第１の実施の形態に係る冷水循環システムは、例えば、所定の負荷設備に、空調用、生産冷却水用の冷熱を連続供給する冷水循環設備を含む冷水循環システムである。負荷設備は、例えば、空調機の除湿コイル若しくは冷却コイル、生産冷却水用熱交換器、ドライコイル等である。

第１の実施の形態に係る冷水循環システムは、制御弁としての制御二方弁１６により必要水量が連続的に調整される負荷設備８１Ａと、負荷設備８１Ａからの戻り冷水を冷凍機３に供給する冷水一次ポンプ１と、負荷設備８１Ａからの戻り冷水を冷却し、負荷設備８１Ａへの送り冷水にする冷凍機３と、冷凍機３からの冷水を送り冷水として負荷設備８１Ａに供給する冷水二次ポンプ５と、負荷設備８１Ａに送水される送り冷水の圧力を制御する圧力制御部としての戻し弁７ａを介して設けられ、負荷設備８１Ａに送水される送り冷水の一部を冷水二次ポンプ５の吸込み部分に還す還り管７と、戻し弁７ａの開度を制御することにより冷水二次ポンプ５から負荷設備８１Ａへの送り冷水の送水量を調整するポンプ運転制御器１３１とを備える。なお、第１の実施の形態に係る冷水循環システムは、冷水二次ポンプ５を１台以上備えることができる。

また、本実施の形態に係る冷水循環システムは、冷凍機３からの冷水が流れる配管と負荷設備８１Ａに送り冷水を供給する配管とを接続する送りヘッダー６ａ及び送りヘッダー６ｂと、負荷設備８１Ａからの戻り冷水が流れる配管と冷凍機３に戻り冷水を供給する配管とを接続する戻りヘッダー９とを備える。冷凍機３からの冷水が流れる配管が送りヘッダー６ｂに接続され、送り冷水を負荷設備８１Ａに供給する配管が送りヘッダー６ａに接続される。また、送りヘッダー６ｂと戻りヘッダー９とは、配管により相互に接続される。そして、冷水二次ポンプ５は、一例として、送りヘッダー６ａと送りヘッダー６ｂとの間に送りヘッダー６ａと送りヘッダー６ｂとを接続するように配置される。

また、送りヘッダー６ａと送りヘッダー６ｂとの間に、戻し弁７ａを介して還り管７が設けられる。還り管７は、冷凍機３から負荷設備８１Ａに送水される送り冷水の一部又は全部を送りヘッダー６ａから送りヘッダー６ｂに還す機能を有する。なお、還り管７は、万一、負荷設備８１Ａの制御弁としての制御二方弁１６が全閉止の時に冷水二次ポンプ５が運転された場合に、送り管内の圧力を開放する圧力開放弁を有することもできる。

（冷水一次ポンプ１）
冷水一次ポンプ１は、負荷設備８１Ａから戻りヘッダー９に戻ってくる戻り冷水を冷凍機３に送る。第１の実施の形態に係る冷水循環システムは、冷水循環システムが備える冷凍機３の数に応じた台数の冷水一次ポンプ１を備える。なお、第１の実施の形態に係る冷水循環システムは、冷水一次ポンプ１を１台以上備えることができる。すなわち、本実施の形態に係る冷水循環システムは、複数の冷凍機３を備えることができる。

（冷凍機３）
冷凍機３は、冷水一次ポンプ１から供給される負荷設備８１Ａからの戻り冷水を目的の温度まで冷却する。冷却された冷水（すなわち、送り冷水）は、冷凍機３から送りヘッダー６ｂを介して冷水二次ポンプ５に供給される。ここで、冷凍機３には、戻り冷水を冷却するクーリングタワー３１と、冷凍機３とクーリングタワー３１との間で戻り冷水を循環させる冷却水ポンプ３２とが補機として付随している。そして、これら補機と冷水一次ポンプ１とは冷凍機３の動作に連動して動作する。以下、冷水一次ポンプ１及び補機、並びにこれらと常時連動して運転する冷凍機３の補助設備が存在する場合、それらの全てを含めて冷凍機３ということがある。

（冷水二次ポンプ５）
冷水二次ポンプ５は、冷凍機３から送りヘッダー６ｂに供給される冷水のうち、負荷設備８１Ａに対して必要な量の冷水（すなわち、送り冷水）を供給する。冷水二次ポンプ５は、例えば、冷水循環システムが設置されている地域における電力周波数（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）で動作する。そして、冷水二次ポンプ５は、冷凍機３から供給される送り冷水を第１の集合部分としての送りヘッダー６ａを介して負荷設備８１Ａに供給する。

また、複数の冷水二次ポンプ５はそれぞれ、送り冷水を負荷設備８１Ａ側に送水する送水管をそれぞれ有する。具体的に、複数の送水管は、送りヘッダー６ａに接続され、複数の送水管のそれぞれを流れる送り冷水は、送りヘッダー６ａにおいて合流する。そして、送りヘッダー６ａは、負荷設備８１Ａに接続される送り管を有している。送り冷水は、送り管を通って負荷設備８１Ａに供給される。また、送りヘッダー６ａには、負荷設備８１Ａに供給される送り送水の送りヘッダー６ａにおける圧力を計測する圧力計６０が設置されている。圧力計６０は、計測した圧力を示す圧力信号をポンプ運転制御器１３１に供給する。

更に、送りヘッダー６ａには、複数の送り管に隣接する位置に、還り管７が接続されている。そして、送りヘッダー６ａと送りヘッダー６ｂとの間には、戻し弁７ａが設けられている。戻し弁７ａは、圧力計６０が計測した圧力信号に基づいてポンプ運転制御器１３１に弁の開度を制御（例えば、ＰＩＤ制御）されることにより、負荷設備８１Ａに供給される送り冷水の送水圧力を目標とする値に一致するように調整する。なお、圧力計６０が示す圧力は、送り冷水の送水圧力及び戻し弁７ａを介して送りヘッダー６ｂに還る冷水の圧力となる。

（負荷設備）
負荷設備８１Ａは、冷却対象物１７Ａ（例えば、負荷設備８１Ａが空調機の場合、室内の空気。或いは、負荷設備８１Ａがプレート式熱交換器の場合、生産装置冷却水、など）を冷却する。負荷設備８１Ａは、負荷である冷却対象物１７Ａの温度に応じて自動的に負荷設備８１Ａに流入する送り冷水の水量を制御する制御弁としての制御二方弁１６と、制御二方弁１６の開度を制御する制御信号発信器２４Ａと、冷却対象物１７Ａの温度を検出する温度検出器２３Ａとを有する。なお、負荷設備８１Ａが有する制御弁は、制御三方弁とすることもできる。この制御弁は、少なくとも、負荷設備の上流側又は下流側のいずれか一方に備えられていれば良い。

制御信号発信器２４Ａは、温度検出器２３Ａが検出した冷却対象物１７Ａの温度を示す温度信号を取得して、取得した温度信号に基づいて制御二方弁１６の開閉を制御する。具体的に制御信号発信器２４Ａは、冷却対象物１７Ａの温度が予め設定された温度に近づくように、制御二方弁１６の開度を連続的に、すなわち、段階なく調整する。これにより、負荷設備８１Ａには、送り冷水の必要水量が連続的に供給される。

負荷設備８１Ａに供給された送り冷水は、負荷設備８１Ａの負荷（すなわち、冷却対象物１７Ａ）の冷却に用いられる。負荷設備８１Ａに供給された送り冷水の温度は、当該負荷熱量の大きさに比例して上昇して戻り冷水となる。戻り冷水は、負荷設備８１Ａに接続されている戻り管を通って、戻り管が接続されている第２の集合部分としての戻りヘッダー９に供給される。戻りヘッダー９から戻り冷水は、冷水一次ポンプ１を介して冷凍機３に供給される。

（ポンプ運転制御器１３１）
ポンプ運転制御器１３１は、送り冷水の温度と戻り冷水の温度との検出温度差を負荷設備８１Ａの定格設計温度差に近づけるように、戻し弁７ａの開度を制御して、冷凍機３から負荷設備８１Ａへの送り冷水（すなわち、冷凍機３から送りヘッダー６ｂに供給され、送りヘッダー６ｂから送りヘッダー６ａに供給された送り冷水）の送水量を制御する。すなわち、ポンプ運転制御器１３１は、制御二方弁１６が冷却対象物１７Ａを予め設定された温度に向けて冷却するように調整をしつつも、負荷設備８１Ａの熱交換設計上の定格温度差を確保するように、戻し弁７ａの開度を制御して、送り冷水の送水量を制御する。

ここで、負荷設備８１Ａの定格設計温度差とは、負荷設備８１Ａの設計仕様書に記載された定格能力を発揮する運転を負荷設備８１Ａがしている場合において、負荷設備８１Ａが定格能力を発揮する場合における流量の冷水が負荷設備８１Ａに供給されており、当該冷水が負荷設備８１Ａに入る時の冷水の温度と、負荷設備８１Ａにおいて熱交換されて負荷設備８１Ａから出ていく冷水の温度との温度差である。定格設計温度差は、予め定められた温度差であって、ある１つの冷水循環システムにおいて統一して設定される。また、本実施の形態における定格設計温度差は、負荷設備８１Ａの設計仕様書に基づく温度差（すなわち、負荷設備８１Ａに入る冷水の温度と、負荷設備８１Ａにおいて熱交換された後に負荷設備８１Ａから排出される水の温度との温度差）に一定の修正を加えた値を定格設計温度差として設定することもできる（例えば、当該温度差から０．５℃を差し引いた値を負荷設備８１Ａにおける定格設計温度差として設定する等ができる）。

なお、第１の実施の形態においてポンプ運転制御器１３１は、戻し弁７ａの開度を制御して、送り冷水の送水量を制御することを優先する。そして、例えば、負荷設備８１Ａが要求する送り冷水の送水量を戻し弁７ａの開度の制御では制御することができない場合に、ポンプ運転制御器１３１は、冷水二次ポンプ５の運転台数を制御（すなわち、運転台数の増減）する。

ここで、送り冷水の温度は、例えば、冷凍機３で冷やされた冷水が送りヘッダー６ａや纏め配管、集合槽（蓄熱水槽の一部）など、送りの冷水が一旦集められた部分で計測された温度である。送りの温度検出器１８は、計測した温度（以下、「送り冷水温度」ということがある）を示す温度信号をポンプ運転制御器１３１に供給する。また、戻り冷水の温度は、例えば、戻りヘッダー９又は戻りヘッダー９の後段に接続されている配管や集合槽などに設置された戻りの温度検出器１９において計測される。戻りの温度検出器１９は、計測した温度（以下、「戻り冷水温度」ということがある）を示す温度信号をポンプ運転制御器１３１に供給する。

そして、ポンプ運転制御器１３１は、送りの温度検出器１８において計測された送り冷水温度と、戻りの温度検出器１９において計測された戻り冷水温度とから算出される検出温度差（すなわち、送り冷水温度と戻り冷水温度との差）と、負荷設備８１Ａの定格設計温度差との差の絶対値が減少する方向へ、検出温度差に基づいて戻し弁７ａの開度を制御する。すなわち、ポンプ運転制御器１３１は、送りの温度検出器１８において計測された送り冷水温度をＴ１とし、戻りの温度検出器１９において計測された戻り冷水温度をＴ２とした場合に、△Ｔ＝Ｔ２−Ｔ１の値を定格設計温度差に近づけるように、戻し弁７ａの開度を制御する。これにより、ポンプ運転制御器１３１は、冷水二次ポンプ５が負荷設備８１Ａに供給する送り冷水の送水量を調整する。

（戻し弁７ａの開度制御機構）
ポンプ運転制御器１３１は、戻し弁７ａの開度を制御する開度制御部を有する。開度制御部は、計測された送り冷水温度（Ｔ１）と計測された戻り冷水温度（Ｔ２）との検出温度差（△Ｔ）と、負荷設備８１Ａの定格設計温度差との差が予め設定した許容値を外れた時間が、予め設定した一定の時間を連続して、又は、予め設定した時間内に累積して過ぎた場合に、検出温度差と定格設計温度差との差の絶対値が小さくなる方向へ戻し弁７ａの開度を変化させる。これにより、冷水循環システムは、冷凍機３における熱交換設計上の最適な温度差（すなわち、定格設計温度差）となるように戻り冷水の温度を維持することができ、冷水二次ポンプ５と冷凍機３との全体運転効率を最も良くするように送り冷水の送水量を制御できる。

なお、予め設定する許容値は、例えば、±０．５〜１．０℃程度に設定する。また、本実施の形態において、「予め設定する許容値」、「予め設定する一定の時間」、及び「予め設定する時間内」は、冷水循環システムの運転開始後、冷水循環システムの効率が最適となるように調整することができる。

（冷水二次ポンプ５の運転台数制御機構）
ポンプ運転制御器１３１は、冷水二次ポンプ５の運転台数を増減する運転台数制御部を有する。運転台数制御部は、送り送水の圧力が予め設定した最高戻し弁圧力に到達した時を起点として、当該戻し弁圧力が予め設定した時間、維持された場合に、冷水二次ポンプ５の運転台数を増加させる。また、運転台数制御部は、送り送水の圧力が予め設定した最低戻し弁圧力に到達した時を起点として、当該戻し弁圧力が予め設定した時間、維持された場合に、冷水二次ポンプ５の運転台数を減ずる。これにより、冷水循環システムは、戻し弁７ａの開度の調整だけでは困難な範囲まで負荷設備８１Ａへの送り冷水の送水量を増減できる。そして、冷水循環システムは、戻し弁７ａの開度の調整と共に、冷水二次ポンプ５の運転台数を制御することにより、戻り冷水の温度を、冷凍機３が高い運転効率（成績係数）で動作できる温度範囲に維持することができる。

ここで、本実施の形態における最高戻し弁圧力は、本実施の形態に係る冷水循環システムが備える負荷設備８１Ａが要求する送り送水の最高の圧力に応じて設定される。また、本実施の形態における最低戻し弁圧力は、予測される最少冷水量を負荷設備８１Ａに送ることを目的として、負荷設備８１Ａを備える冷水循環システムの配管系の形状を考慮した上で、負荷設備８１Ａにおいて最低限要求される圧力に設定することが好ましい。なお、最高戻し弁圧力及び最低戻し弁圧力はそれぞれ、冷水循環システムの運転が最適になるように適宜調整できる。なお、圧力計６０が計測した圧力を、送り送水の圧力（つまり、戻し弁圧力）として用いることができる。

（冷水循環システムの動作の概要）
第１の実施の形態に係る冷水循環システムの動作の概要を説明する。まず、冷水循環システムが起動されると、ポンプ運転制御器１３１において計測された還り管７から送りヘッダー６ｂに還る送り送水の初期の圧力（以下、「戻し弁設定圧力」という）、冷水二次ポンプ５の初期台数にて冷水循環システムが起動する。その後、計測された送り冷水の温度と計測された戻り冷水の温度との検出温度差の値を、負荷設備８１Ａの定格設計温度差に近づけるように（すなわち、検出温度差と定格設計温度差との差の絶対値が減少するように）、検出温度差に基づいて、ポンプ運転制御器１３１における戻し弁７ａの開度の制御と冷水二次ポンプ５の運転台数の制御とに修正が加えられ、冷水循環システムの運転が継続される。

そして、冷水循環システムが一定時間、運転した後に、ポンプ運転制御器１３１は、検出温度差と定格設計温度差とを比較する。更に、ポンプ運転制御器１３１は、検出温度差と定格設計温度差との差が予め定められた許容値を超えるか否かを判断する。ポンプ運転制御器１３１は、この許容値を超えた時間が予め定められた時間だけ継続した場合に、現在の戻し弁７ａの開度を、検出温度差と定格設計温度差との差の絶対値が小さくなる方向に修正する。すなわち、ポンプ運転制御器１３１は、還り管７から送りヘッダー６ｂに還される送り冷水の圧力（以下、「戻し弁圧力」ということがある）を、検出温度差と定格設計温度差との差の絶対値が小さくなる方向に修正する。これにより、冷水循環システムは、検出温度差を定格設計温度差に近づける動作を継続する。なお、送りヘッダー６ｂに還された送り冷水の一部は、送りヘッダー６ｂと戻りヘッダー９とを接続する配管を介して、再度、冷凍機３に供給される場合もある。

ここで、冷水二次ポンプ５は、送り冷水の吐出圧力を調整する制御弁を有することができる。そして、ポンプ運転制御器１３１は、冷水循環システムの動作の制御を継続する中で、運転中の冷水二次ポンプ５が複数台ある場合は、複数の冷水二次ポンプ５それぞれからの送り冷水の吐出圧力が略同一になるように、各冷水二次ポンプ５の制御弁をそれぞれ制御して、冷水二次ポンプ５の吐出側の送水管における吐出圧力を個別に調整することができる。

ポンプ運転制御器１３１の戻し弁７ａの開度の制御（すなわち、戻し弁圧力の制御）により戻し弁７ａにおける送り冷水の圧力が、予めポンプの設計能力値から予測されるか、又は運転実績に基づいて事前に決定した最高戻し弁圧力に到達した場合、ポンプ運転制御器１３１は、作動する冷水二次ポンプ５の台数を１台加える。また、戻し弁７ａにおける送り冷水の圧力が、運転実績に基づいて事前に決定した最低戻し弁圧力に到達した場合、ポンプ運転制御器１３１は、作動する冷水二次ポンプ５の台数を１台減ずる。なお、ポンプ運転制御器１３１は、冷水二次ポンプ５の台数が増減された場合に運転中の冷水二次ポンプ５の総吐出圧力の急変を抑制することを目的として、戻し弁７ａの開度を適宜調整する。

（冷水循環システムの動作の詳細）
以下、第１の実施の形態に係る冷水循環システムの動作を、フローチャートを示してより詳細に説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る冷水循環システムの動作のフローの一例を示す。

まず、第１の実施の形態に係る冷水循環システムを起動する。この場合に、冷水循環システムは、予め設定した初期の台数Ｐの冷水二次ポンプ５を起動すると共に、戻し弁設定圧力を初期値ＰａＩｎに設定して、運転を開始する（ステップ１０。以下、ステップを「Ｓ」と表す）。具体的には、ポンプ運転制御器１３１において計測された戻し弁設定圧力（初期値ＰａＩｎ）になる戻し弁７ａの開度において、初期台数Ｐの冷水二次ポンプ５の運転が開始される。ここで、初期台数Ｐは、一例として、冷水二次ポンプ５の総台数の８０％の台数に設定する。

次に、送りの温度検出器１８は、送り冷水の温度（Ｔ１）を計測する（Ｓ１２）。送りの温度検出器１８は、計測した送り冷水の温度を示す温度信号をポンプ運転制御器１３１に供給する。一方、戻りの温度検出器１９は、戻り冷水の温度（Ｔ２）を計測する（Ｓ１４）。戻りの温度検出器１９は、計測した戻り冷水の温度を示す温度信号をポンプ運転制御器１３１に供給する。

続いて、ポンプ運転制御器１３１は、送り冷水の温度（実測値：Ｔ１）と戻り冷水の温度（実測値：Ｔ２）とから検出温度差（△Ｔ＝Ｔ２−Ｔ１）を算出する。そして、ポンプ運転制御器１３１は、検出温度差と、負荷設備８１Ａの定格設計温度差（△ＴＳ）とを比較する（Ｓ１６）。△Ｔが△ＴＳ以下である時（△Ｔ≦△ＴＳ）はＳ１８に進み（Ｃａｓｅ１）、大きい時（△Ｔ＞△ＴＳ）はＳ３４に進む（Ｃａｓｅ２）。ここで定格設計温度差△ＴＳは、一例として、５℃以上８℃以下程度の範囲で設定される。

［Ｃａｓｅ１］
まず、Ｃａｓｅ１について説明する。ポンプ運転制御器１３１は、△Ｔと、△ＴＳから下側許容値Ｋ１を減じた値とを比較する。そして、ポンプ運転制御器１３１は、△Ｔが△ＴＳから下側許容値Ｋ１を減じた値以下の値（△Ｔ≦△ＴＳ−Ｋ１）である場合（Ｓ１８：Ｙ）、△Ｔ≦△ＴＳ−Ｋ１の関係が継続する時間を計測する（Ｓ２０）。一方、△Ｔ＞△ＴＳ−Ｋ１）である場合（Ｓ１８：Ｎ）、ポンプ運転制御器１３１は、戻り冷水の実測の温度（Ｔ２）を示す温度信号を引き続き取得する。なお、下側許容値Ｋ１は可変であるが、例えば、０．５℃に設定される。

そして、△Ｔ≦△ＴＳ−Ｋ１の関係が継続する時間が予め定められた時間Ｙ１だけ継続した場合（Ｓ２０：Ｙ）、ポンプ運転制御器１３１は、現在の戻し弁圧力設定値ＰａＸから予め設定した戻し弁圧力補正値Ｐａ１を減じる（Ｓ２２）。一方、△Ｔ≦△ＴＳ−Ｋ１の関係が継続する時間が予め定められた時間Ｙ１だけ継続しない場合（Ｓ２０：Ｎ）、ポンプ運転制御器１３１は、送り冷水の実測温度（Ｔ１）と、戻り冷水の実測温度（Ｔ２）を示す温度信号を引き続き取得する。ここで、予め定められた時間Ｙ１は、一例として、９０秒程度である。

次に、ポンプ運転制御器１３１は、現在の戻し弁圧力設定値ＰａＸと予め定められた最低戻し弁圧力Ｐａｍｉｎとを比較する（Ｓ２４）。ここで、最低戻し弁圧力Ｐａｍｉｎは、負荷設備において最低限必要な圧力の冷水を送ることを目的として、運転されている冷水二次ポンプ５の台数ごとに、必要と予測される圧力に設定される。また、ポンプ運転制御器１３１は、冷水循環システムの稼働を継続しつつ、冷水循環システムの省エネルギー性を向上させるために、最低戻し弁圧力Ｐａｍｉｎを自動的に調整することができる。なお、最低戻し弁圧力Ｐａｍｉｎは、手動で設定してもよい。

そして、現在の戻し弁圧力ＰａＸが最低戻し弁圧力Ｐａｍｉｎ以上（ＰａＸ≧Ｐａｍｉｎ）の場合（Ｓ２４：Ｙ）、効果待ち時間Ｙ３が経過するまでポンプ運転制御器１３１は待機する（Ｓ２６：Ｎ）。そして、効果待ち時間Ｙ３が経過した後、ポンプ運転制御器１３１は、送り冷水の実測の温度（Ｔ１）、戻り冷水の実測の温度（Ｔ２）を示す温度信号を引き続き取得する（Ｓ２６：Ｙ）。効果待ち時間Ｙ３は、例えば、１２０秒以上１８０秒以下の範囲で設定される。

一方、現在の戻し弁圧力ＰａＸが最低戻し弁圧力Ｐａｍｉｎ未満（ＰａＸ＜Ｐａｍｉｎ）の場合（Ｓ２４：Ｎ）、ポンプ運転制御器１３１は、冷水二次ポンプ５の運転台数を１台減らす（Ｓ２８）。更に、ポンプ運転制御器１３１は、稼働中の冷水二次ポンプ５の送水圧力を揃え、かつ、現在稼働中の冷水二次ポンプ５の送水圧力が、運転台数を減じる前における送水圧力に等しい送水圧力となるように、戻し弁７ａの開度を制御して、現在の戻し弁圧力ＰａＸを、予め設定した圧力Ｐａ３に調整する（Ｓ３０）。なお、Ｐａ３は、ＰａＸよりも高い圧力である。

次に、ポンプ運転制御器１３１は、戻し弁７ａの開度を調整して戻し弁圧力を所定の圧力Ｐａ３に設定した後に、冷水循環システムの稼働を安定させることを目的として、予め定められた効果待ち時間Ｙ５が経過するまで待機する（Ｓ３２：Ｎ）。効果待ち時間Ｙ５が経過した後、ポンプ運転制御器１３１は、戻り冷水の実測の温度（Ｔ２）を示す温度信号を引き続き取得する（Ｓ３２：Ｙ）。ここで、効果待ち時間Ｙ５は、一例として、１２０秒以上１８０秒以下程度の範囲内で設定される。例えば、効果待ち時間Ｙ５は、１２０秒に設定される。

［Ｃａｓｅ２］
次に、Ｃａｓｅ２について説明する。ポンプ運転制御器１３１は、△Ｔと、△ＴＳに上側許容値Ｋ２を加えた値とを比較する。そして、ポンプ運転制御器１３１は、△Ｔが△ＴＳに上側許容値Ｋ２を加えた値以上の値（△Ｔ≧△ＴＳ＋Ｋ２）である場合（Ｓ３４：Ｙ）、△Ｔ≧△ＴＳ＋Ｋ２の関係が継続する時間を計測する（Ｓ３６）。一方、△Ｔ＜△ＴＳ＋Ｋ２である場合（Ｓ３４：Ｎ）、ポンプ運転制御器１３１は、送り冷水の温度（Ｔ１）、戻り冷水の温度（Ｔ２）を示す温度信号を引き続き取得する。ここで、上側許容値Ｋ２は、例えば、０．３℃である。

そして、△Ｔ≧△ＴＳ＋Ｋ２の関係が継続する時間が予め定められた時間Ｙ２だけ継続した場合（Ｓ３６：Ｙ）、ポンプ運転制御器１３１は、現在の戻し弁圧力設定値ＰｚＸに予め設定した戻し弁圧力補正値Ｐａ２を加える（Ｓ３８）。一方、△Ｔ≧△ＴＳ＋Ｋ２の関係が継続する時間が予め定められた時間Ｙ２だけ継続しない場合（Ｓ３６：Ｎ）、ポンプ運転制御器１３１は、戻り冷水の実測の温度（Ｔ２）を示す温度信号を引き続き取得する。ここで、予め定められた時間Ｙ２は、一例として、９０秒程度である。

次に、ポンプ運転制御器１３１は、現在の戻し弁圧力設定値ＰａＸと予め設定した最高戻し弁圧力Ｐａｍａｘとを比較する（Ｓ４０）。ここで、最高戻し弁圧力Ｐａｍａｘは、運転されている冷水二次ポンプ５の合計台数ごとに設定され、その冷水循環システムが備える負荷設備８１Ａが要求する送り冷水の量と必要圧力を鑑みて決定される。そして、現在の戻し弁圧力設定値ＰａＸが最高戻し弁圧力Ｐａｍａｘ以下（ＰａＸ≦Ｐａｍａｘ）の場合（Ｓ４０：Ｙ）、効果待ち時間Ｙ４が経過するまでポンプ運転制御器１３１は待機する（Ｓ４２：Ｎ）。そして、効果待ち時間Ｙ４が経過した後、ポンプ運転制御器１３１は、送り冷水の実測の温度（Ｔ１）、戻り冷水の実測の温度（Ｔ２）を示す温度信号を引き続き取得する（Ｓ４２：Ｙ）。効果待ち時間Ｙ４は、例えば、１２０秒以上１８０秒以下の範囲で設定される。

一方、戻し弁圧力設定値ＰａＸが最高戻し弁圧力Ｐａｍａｘを超える（ＰａＸ＞Ｐａｍａｘ）場合（Ｓ４０：Ｎ）、ポンプ運転制御器１３１は、冷水二次ポンプ５の運転台数を１台増加させる（Ｓ４４）。更に、ポンプ運転制御器１３１は、稼働中の冷水二次ポンプ５の送水圧力を揃え、かつ、現在稼働中の冷水二次ポンプ５の送水圧力が、運転台数を増加させる前における送水圧力に等しい送水圧力となるように、戻し弁７ａの開度を制御して、現在の戻し弁圧力設定値ＰａＸを、予め設定した圧力Ｐａ４に調整する（Ｓ４６）。なお、Ｐａ４は、ＰａＸよりも低い圧力である。

次に、ポンプ運転制御器１３１は、戻し弁７ａの開度を調整して戻し弁圧力を所定の圧力Ｐａ４に設定した後に、冷水循環システムの稼働を安定させることを目的として、予め定められた効果待ち時間Ｙ５が経過するまで待機する（Ｓ３２：Ｎ）。効果待ち時間Ｙ５が経過した後、ポンプ運転制御器１３１は、送り冷水の温度（Ｔ１）、戻り冷水の温度（Ｔ２）を示す温度信号を引き続き取得する（Ｓ３２：Ｙ）。

以上の各ステップにより、送りの温度検出器１８が計測した送り冷水温度Ｔ１と戻りの温度検出器１９が計測した戻り冷水温度Ｔ２との検出温度差△Ｔ（＝Ｔ２−Ｔ１）を、負荷設備８１Ａの定格設計温度差△ＴＳに近づけるような制御が、ポンプ運転制御器１３１による戻り弁７ａの弁の開度の制御と冷水二次ポンプ５の運転台数の制御とによって実施され、冷水循環システムの運転が継続される。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態に係る冷水循環システムは、送り冷水の温度を予め設定すると共に、検出温度差と定格設計温度差との差の絶対値を減少させる方向に送り冷水の水量を制御することを、戻り弁７ａの弁の開度の制御により実施するので、冷水二次ポンプ５に動力インバーターを設置せずに、冷水二次ポンプ５による送水量を過剰又は不足にならない最適な量に制御できる。これにより、冷水循環システム全体の運転動力（すなわち、消費エネルギー）を削減でき、エネルギー効率を向上させることができると共に、冷水循環システムの設備コストを低減させることができる。

より詳細に、第１の実施の形態に係る冷水循環システムは、冷水循環システムの運転中に常時変化しつづけている負荷設備が要する冷熱量に対応して、計測された送り冷水の温度と計測された戻り冷水の温度との検出温度差を負荷設備の定格設計温度差に近づけつつ送り冷水の送水量を可変にする制御をするので、負荷設備８１Ａが設計通りの熱交換部分の温度差で充分に機能を発揮することができると共に、過剰でも過少でもない、適切な流量の送り冷水を負荷設備８１Ａに供給できる。これにより、送り圧力を一定にする送水方式（すなわち、水量が過剰の傾向）に比べ、冷水循環のための冷水一次ポンプ１、及び冷水二次ポンプ５の合計動力を大幅に削減できると共に、戻り冷水の温度を冷凍機３の定格の吸込み温度に近づけることができる。この結果、冷凍機３の成績係数を向上させることができる。更に、本実施の形態に係る冷水循環システムによれば、負荷設備８１Ａでの冷却熱量が変化した場合であっても、送り冷水の圧力を変化させて設定するので、戻り冷水の温度が高くなりすぎたり低くなりすぎたりすることを抑制でき、冷凍機３の運転効率の低下を抑制できる。したがって、本実施の形態に係る冷水循環システムによれば、冷水二次ポンプ５の動力を削減できると共に従来と同じ冷却熱量を冷やすために冷凍機３の動力を削減できるので、省エネルギー効果が大きく出せる。

また、本実施の形態に係る冷水循環システムは、負荷設備８１Ａが要する冷水の過不足が僅かの時に直ちに動作を開始せずに、一定時間にわたり限界量を超えた時にのみ、戻り弁７ａの弁の開度と冷水二次ポンプ５の運転台数とを変化させるので、緩やかに、かつ確実に、適切な戻り弁７ａの弁の開度と二次冷水ポンプ５の運転台数とを決定できる。これにより、熟練した調整員の判断規準に近い方法で冷水循環システムを制御でき、自動的な施設の運転管理ができる。

更に、本実施の形態に係る冷水循環システムは、冷凍機３の運転台数を自動的に最低限の台数にすると共に、自動的に最高効率の運転で冷凍機３を動作させるので、冷水循環システム全体のエネルギーの低減を自動的に大きく実現できる。

（第１の実施の形態の変形例）
図３は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る冷水循環システムの構成の概要を示す。

第１の実施の形態の変形例に係る冷水循環システムは、第１の実施の形態に係る冷水循環システムとは、負荷設備の数が異なる点を除き、第１の実施の形態に係る冷水循環システムと同様の構成を備える。よって、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

第１の実施の形態の変形例に係る冷水循環システムは、複数の負荷設備（例えば、負荷設備８１Ａ及び負荷設備８１Ｂ）を備える。そして、負荷設備８１Ａ及び負荷設備８１Ｂからの戻り冷水はそれぞれ、負荷設備８１Ａに接続されている戻り管と負荷設備８１Ｂに接続されている戻り管とを通じて第２の集合部分としての戻りヘッダー９に供給される。負荷設備８１Ａ及び負荷設備８１Ｂからの戻り冷水は戻りヘッダー９において合流する。そして、戻りヘッダー９に供給された戻り冷水は、冷水一次ポンプ１を介して冷凍機３に供給される。

また、冷凍機３からの冷水は送りヘッダー６ｂに供給される。冷水二次ポンプ５は、冷凍機３から送りヘッダー６ｂに供給された冷水のうち、負荷設備８１Ａ及び負荷設備８１Ｂに対して必要な量の送り冷水を供給する。送り冷水は、第１の集合部分としての送りヘッダー６ａに接続されている複数の送り管を通って複数の負荷設備のそれぞれに供給される。なお、負荷設備８１Ａと負荷設備８１Ｂとはそれぞれ略同様の構成を有する。

（第１の実施の形態の変形例に係る冷水循環システムの動作の概要）
冷水循環システムが起動された時の冷水循環システムの動作は第１の実施の形態に係る冷水循環システムと同一である。ただし、計測された送り冷水の温度と計測された戻り冷水の温度との検出温度差の値を、負荷設備８１Ａ及び負荷設備８１Ｂの定格設計温度差に近づけるように、検出温度差に基づいて、ポンプ運転制御器１３１における戻し弁７ａの開度の制御と冷水二次ポンプ５の運転台数の制御とに修正が加えられ、冷水循環システムの運転が継続される。

そして、冷水循環システムが一定時間、運転した後に、ポンプ運転制御器１３１は、検出温度差と定格設計温度差とを比較する。更に、ポンプ運転制御器１３１は、検出温度差と定格設計温度差との差が予め定められた許容値を超えるか否かを判断する。ポンプ運転制御器１３１は、この許容値を超えた時間が予め定められた時間だけ継続した場合に、現在の戻し弁７ａの開度を、検出温度差と定格設計温度差との差の絶対値が小さくなる方向に修正する。これにより、冷水循環システムは、検出温度差を定格設計温度差に近づける動作を継続する。

そして、ポンプ運転制御器１３１の戻し弁７ａの開度の制御により戻し弁７ａにおける送り冷水の圧力が（その時点で運転している冷水二次ポンプ５の台数を考慮のうえで）予めポンプの設計能力値から予測されるか、又は運転実績に基づいて事前に決定した最高戻し弁圧力に到達した場合、ポンプ運転制御器１３１は、作動する冷水二次ポンプ５の台数を１台加える。また、戻し弁７ａにおける送り冷水の圧力が、運転実績に基づいて事前に決定した最低戻し弁圧力に到達した場合、ポンプ運転制御器１３１は、作動する冷水二次ポンプ５の台数を１台減ずる。

なお、以上の冷水循環システムの動作を制御する中で、例えば、負荷設備８１Ａが負荷設備８１Ｂより高い送水元圧力を要求することが予め分かっている場合には、負荷設備８１Ａが有する温度検出器２３Ａ及び制御信号発信器２４Ａからポンプ運転制御器１３１へ、冷水量の不足による温度の異常（冷却不足）を示す警報信号を予め供給する仕組みを設けることができる。この場合、ポンプ運転制御器１３１は、当該警報信号に基づいて、当該警報信号が消えるまで冷水二次ポンプ５から負荷設備８１Ａへの冷水量を増やす制御（例えば、戻し弁７ａの開度を小さくする制御）を最優先して実施する。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る冷水循環システムの構成の概要を示す。

第２の実施の形態に係る冷水循環システムは、第１の実施の形態の変形例に係る冷水循環システムとは、負荷設備の前段に加圧ポンプを更に備える点を除き、第１の実施の形態の変形例に係る冷水循環システムと同様の構成を備える。よって、相違点を除き、詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態に係る冷水循環システムは、複数の負荷設備（すなわち、負荷設備８１Ａ及び負荷設備８１Ｂ）のうち、冷水二次ポンプ５から送水される送り冷水の圧力が負荷設備の入口側（つまり、負荷設備に向けて供給される送り冷水が流入する制御二方弁１６の手前側）において著しく低下する負荷設備の前段に、圧力可変部としての加圧ポンプ４０を備える。加圧ポンプ４０は、負荷設備に供給される送り冷水の圧力を変化させる。具体的に、加圧ポンプ４０は、負荷設備に供給される送り冷水の圧力を、負荷設備が要求する圧力まで加圧する。また、加圧ポンプ４０は、冷水二次ポンプ５よりも小型のポンプを用いることができる。

なお、送り冷水の圧力が負荷設備の入口において著しく低下する負荷設備とは、例えば、冷水循環システムが備える複数の負荷設備のうち、冷水二次ポンプ５から特に遠く離れた位置に設置される負荷設備、又は、冷水二次ポンプ５が設置される位置を基準として当該位置から特に高いところに設置される負荷設備、あるいは冷水二次ポンプ５により送られた冷水がその負荷設備に到達するまでの配管のうちに圧力損失が特に大きな部分を有する負荷設備等である。

なお、負荷設備の入り口側の配管に、圧力可変部としてのバルブを設けることもできる。このバルブを調整することにより、負荷設備に供給される送り冷水の圧力を減少又は増加させることができる。このバルブにより、冷水循環システム全体の水圧のバランスを調整することができ、負荷設備それぞれに向かう冷水が各制御二方弁１６を通過する前の段階において、概ね送り冷水を適切に分配できる。これにより本システムは更に有効に運用されうる。

第２の実施の形態に係る冷水循環システムは、負荷設備の前段に加圧ポンプ４０を設置することができるので、冷水二次ポンプ５から離れた位置等に設置された負荷設備であっても、当該負荷設備に要求される圧力の送り送水を当該負荷設備に適切に供給することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ 冷水一次ポンプ
３ 冷凍機
５ 冷水二次ポンプ
６ 送りヘッダー
７ 還り管
７ａ 戻し弁
９ 戻りヘッダー
１１ 流量計
１６ 制御二方弁
１７Ａ、１７Ｂ 冷却対象物
１８ 送りの温度検出器
１９ 戻りの温度検出器
２３Ａ、２３Ｂ 温度検出器
２４Ａ、２４Ｂ 制御信号発信器
３１ クーリングタワー
３２ 冷却水ポンプ
４０ 加圧ポンプ
６０ 圧力計
８１Ａ、８１Ｂ 負荷設備
１３１ ポンプ運転制御器

Claims (6)

1. 制御弁により必要水量が連続的に調整される負荷設備と、
   前記負荷設備からの戻り冷水を冷却し、前記負荷設備への送り冷水にする冷凍機と、
   前記戻り冷水を前記冷凍機に供給する冷水一次ポンプと、
   前記送り冷水を前記負荷設備に供給する冷水二次ポンプと、
   前記冷水二次ポンプと前記負荷設備との間に前記負荷設備に送水される前記送り冷水の圧力を制御する圧力制御部を介して設けられ、前記負荷設備に送水される前記送り冷水を前記圧力制御部を通して前記冷水二次ポンプの吸込み部分に向けて還すことができる還り管と、
   前記圧力制御部を制御することにより、前記冷凍機から前記負荷設備への前記送り冷水の前記圧力を調整するポンプ運転制御器と
   を備え、
   前記ポンプ運転制御器は、前記送り冷水の温度と前記戻り冷水の温度との検出温度差と、前記負荷設備の定格設計温度差との差の絶対値が減少する方向へ、前記検出温度差に基づいて前記圧力制御部を制御することにより前記負荷設備への送り冷水の送水量を調整する冷水循環システム。
2. 前記圧力制御部は、前記負荷設備への前記送り冷水の送水量を制御する戻し弁であって、
   前記ポンプ運転制御器は、前記戻し弁の開度を制御する請求項１に記載の冷水循環システム。
3. 前記ポンプ運転制御器は、前記検出温度差と前記定格設計温度差との差の絶対値が予め設定された許容値を外れた時間が、予め設定した一定の時間を連続して、又は、予め設定した時間内に累積して過ぎた場合に、前記負荷設備への前記送り冷水の前記圧力を調整する請求項２に記載の冷水循環システム。
4. 前記負荷設備の前段に、前記負荷設備に供給される前記送り冷水の圧力を変化させる圧力可変部
   を更に備える請求項３に記載の冷水循環システム。
5. 前記圧力可変部は、前記冷水二次ポンプより小型の加圧ポンプである請求項４に記載の冷水循環システム。
6. 複数の前記負荷設備を更に備え、
   前記送り冷水は、複数の前記負荷設備のそれぞれに複数の送り管を通じて送水され、
   複数の前記負荷設備のそれぞれは、複数の戻り管を通じて前記戻り冷水を前記冷凍機に送水し、
   前記送り冷水温度は、前記複数の送り管の第１の集合部分において予め設定される温度であり、
   前記戻り冷水温度は、前記複数の戻り管の第２の集合部分において計測される請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷水循環システム。

Images